hybrydowy system zasilania w energię elektryczną domków

P O Z N A N UN I VE RS I T Y O F T E C HN O L O G Y ACA D E MI C J O URN A L S
No 81
Electrical Engineering
2015
Grzegorz TWARDOSZ*
Wojciech TWARDOSZ**
HYBRYDOWY SYSTEM ZASILANIA W ENERGIĘ
ELEKTRYCZNĄ DOMKÓW REKREACYJNYCH
W pracy przedstawiono mieszany sposób dostawy energii elektrycznej do
istniejącego obiektu rekreacyjnego. Opisano zasady doboru elementów systemu tzn.
turbiny wiatrowej, ogniw PV i magazynu energii. Przedstawiono sposób komunikacji
pomiędzy sterownikiem a komputerem przy wykorzystaniu programu WinPowerNet.
SŁOWA KLUCZOWE: odnawialne źródła energii, system off grid, magazyn energii
1. WSTĘP
Ze względu na warunki klimatyczne Polski uważa się, że przy wykorzystaniu
energii ze źródeł odnawialnych czyli OZE (Odnawialne Źródła Energii), jest
ekonomicznie uzasadnione dla całorocznych obiektów stosowanie nie jednego, a
dwóch źródeł. W Wielkopolsce analizując zasadność wykorzystania źródeł
OZE: geologicznych, wodnych, wiatrowych i słonecznych, uważa się za
właściwe wykorzystanie energii wiatru i energii promieniowania słonecznego.
Można wykorzystywać także tylko jedno źródło. Dodatkowym, jednak ważnym
aspektem zapewnienia pewności zasilania obiektu jest magazyn energii.
Magazyn energii musi spełniać szereg warunków. Do najważniejszych należą:
moc zapotrzebowana, pojemność magazynu, napięcie pracy, zakres temperatur
pracy oraz minimalny czas pracy.
2. SYSTEM ZASILANIA OBIEKTU TYPU OFF GRID
W systemach typu off grid wytworzona energia elektryczna jest
wykorzystywana wyłącznie na potrzeby własne odbiorcy [1-3]. Standardową
konfigurację systemu przedstawiono na rysunku 1.
Kontroler (rys. 1) pełni w tym przypadku funkcję regulatora pracy źródeł
OZE oraz regulatora napięcia magazynu energii. Spotyka się także inne
systemowe rozwiązania. W miejsce jednego hybrydowego kontrolera występują
__________________________________________
* Politechnika Poznańska.
** Poznańskie Centrum Edukacji Ustawicznej i Praktycznej, Poznań.
178
Grzegorz Twardosz, Wojciech Twardosz
dwa układy sterowania: kontroler pracy układu fotowoltaicznego (PV) i/lub
elektrowni wiatrowej (EW) oraz inwerter DC/AC.
Rys. 1. Schemat systemu off grid [opr. własne]
Stosunek mocy znamionowych PV i EW zależy od warunków
geograficznych. Często ze względów ekonomicznych podaje się za właściwy
stosunek PEW/PPV = 1:3 dla instalacji całorocznych.
Parametry pracy ogniw PV zmieniają się w funkcji temperatury. W tabeli 1
przedstawiono średnie wartości zmian parametrów ogniw PV w funkcji
temperatury.
Tabela 1. Wpływ temperatury na parametry pracy ogniw PV [opr. własne]
Rodzaj
parametru
Jednostka
ISC
Uoc
PMP
Imp
Ump
%/oC
%/oC
%/oC
%/oC
%/oC
Zmiana parametru w
funkcji wzrostu
temperatury
~(+0,04)
~(0,38)
~(0,47)
~(+0,04)
~(+0,38)
W szacunkowych obliczeniach przyjmuje się zazwyczaj, że spadek mocy,
wynikający ze wzrostu temperatury wynosi około -0,5%/oC. Temperaturę
nominalną przyjmuje się dla warunków STC tj. 25oC.
Regulatory napięcia wykonuje się w technologiach MPPT i PWM.
Technologia MPPT (ang. Maximum Power Point Tracking) czyli śledzenie
maksymalnego punktu pracy jest sprawniejsza, ponieważ w zależności od
wartości natężenia promieniowania, w sposób sterowany dostosowuje wartość
Hybrydowy system zasilania w energię elektryczną domków rekreacyjnych
179
oporu obciążenia do wartości oporu źródła PV. W technologii PWM (z j. ang.
Pulse Width Modulation) nie ma możliwości pracy systemu przy mocy
maksymalnej. Natomiast w technologii MPPT jest możliwy wzrost wydajności
systemu o około (2030)% [3], w porównaniu z systemem PWM. Tańszy
regulator jest w wielu przypadkach korzystniejszy do zastosowania. Wybór
rodzaju regulatora zależy m.in. od miejsca montażu PV, elementów systemu i
wartości mocy układu. Ważny jest również aspekt ekonomiczny inwestycji.
3. HYBRYDOWY SYSTEM ZASILANIA DOMKU
REKREACYJNEGO W ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ
Dla domku rekreacyjnego wykorzystywanego w ciągu roku, zastosowano
następujący system zasilania w energię elektryczną:
 turbina wiatrowa o osi pionowej typu TVK 0,3/12,
 ogniwo fotowoltaiczne o PN = 150 W,
 magazyn energii o pojemności QN = 100 Ah.
Pracą systemu steruje kontroler hybrydowy typu WSH 0,3 – 0,15/12 [3, 4].
Na rys. 2 przedstawiono schemat układu zasilania domku rekreacyjnego.
Rys. 2. Schemat hybrydowego układu zasilania domku rekreacyjnego typu off grid [opr. własne]
Turbina wiatrowa TVK 0,3/12 ma dwa wirniki tj. Savoniusa i Darrieusa. Jej
moc znamionowa (PN) 300 osiąga przy prędkości wiatru 12 m/s. Prędkość cut in
wynosi 1 m/s. Natomiast panel PV ma (PN) 125 W, a akumulator typu MWL 100
– 12 Ah. Pojemność akumulatora dobrano jako zasilanie awaryjne. Napięcie
wyjściowe regulatora wynosi UN = 12 V. Moc wyjściowa wynosi 240 W.
Napięcie stałe można zamienić na przemienne wykorzystując np. mikrofalownik
typu MFA. W rozważanym przypadku przy pracy autonomicznej akumulatora,
zapewnia on pobór mocy P = 240 W przez t = 2,5 h przy napięciu stałym.
180
Grzegorz Twardosz, Wojciech Twardosz
Przyjęto dopuszczalny poziom rozładowania wynoszący 50%. Zapewnia to
żywotność akumulatora przez 10 – 12 lat. Gdyby jednak energię wykorzystać po
przekształceniu napięcia stałego na przemienne, czas ten wyniósłby około 2,0 h,
przy cos 0,9. Widok wyświetlacza regulatora WSH przedstawiono na rys. 3.
Rys. 3. Wyświetlacz WSH 0,3-0,15 [oprac. własne]
Regulator ma port RS232, co zapewnia możliwość dwukierunkowej
komunikacji pomiędzy systemem a użytkownikiem. Opcjonalnie komunikacja
może być bezprzewodowa. Przy tym programowanie parametrów pracy systemu
oraz ich monitorowanie może odbywać się przez: administratora, grupy
użytkowników oraz pojedynczych osób.
Program komputerowy WinPowerNet umożliwia monitorowanie pracy
układu w trybach dziennych lub wybranych porach dnia, tygodniowych,
miesięcznych i rocznym. Istnieje możliwość przedstawiania wyników produkcji
i zużycia energii elektrycznej w sposób graficzny. Na rys. 4 i 5 przedstawiono
przykładowe okna dialogowe systemu.
Rys. 4. Widok okna dialogowego zainstalowanych i pracujących odnawialnych źródeł energii [4]
Hybrydowy system zasilania w energię elektryczną domków rekreacyjnych
181
Rys. 5. Okno dialogowe pracy odnawialnych źródeł energii w stanie awaryjnym [4]
Logowanie do systemu i programowanie parametrów pracy systemu jest
trudne. Dla przeciętnego użytkownika może nastręczać wiele trudności. Cenną
zaletą regulatora. Cenną zaletą regulatora jest możliwość dwukierunkowej
komunikacji z systemem.
4. PODSUMOWANIE
Z uwagi na rozkład prędkości wiatru w czasie oraz zmiany wartości natężenia
promieniowania słonecznego zastosowanie układów hybrydowych jest z
energetycznego punktu widzenia bardzo korzystne. Przy mocy elektrowni
wiatrowej 300 W, mocy systemu ogniwa fotowoltaicznego 150 W, pojemności
magazynu energii wynoszący 100 Ah wraz z regulatorem cena systemu nie
przekracza 7000 PLN. Montaż jest prosty i można go wykonać we własnym
zakresie, co nie powoduje utraty gwarancji. Przy prawidłowej eksploatacji
żywotność systemu powinna wynosić conajmniej 20 lat. Nie dotyczy to
akumulatora, którego czas eksploatacji szacuje się na około 12 lat. Czas ten
skraca się w istotny sposób w dwóch przypadkach:
 częstego rozładowania poniżej 0,5 QN,
 wzrostu temperatury pracy powyżej 25oC.
W przypadku potrzeby ciągłego wykorzystania przedstawionego
hybrydowego systemu należy zamontować dodatkowo układ tzw. bypass.
Stosowanie systemów zasilania z odnawialnych źródeł energii w domkach
rekreacyjnych jest z wielu względów rozwiązaniem bardzo korzystnym.
Należałoby jednak rozważyć rozwiązanie pod względem ekonomicznym
bardziej uzasadnione np. zasilanie całego osiedla domków jednorodzinnych.
182
Grzegorz Twardosz, Wojciech Twardosz
LITERATURA
[1] Popczyk J., Energetyka rozproszona, PKEOM, Warszawa 2011.
[2] Paska J., Wytwarzanie rozproszonej energii elektrycznej i ciepła. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010.
[3] Paluszczak M., Twardosz W., Twardosz G., Monitorowanie parametrów pracy
hybrydowego odnawialnego źródła energii elektrycznej. Poznań University of
Technology, Academic Journals, No 74, Poznań 2013, s. 301-306.
[4] www.wirtech.pl, 10.01.2015, 15.00.
HYBRIDIC POWER SUPPLY OF RECREATIONAL BUILDINGS
In this paper are presented hybridic power supply, as case study. Are analized
choosen aspects choice of elements system i.e. wind turbine, photovoltaic panel and
storage cell. Are described principles of communication system WinPowerNet program.